教学课程资源库 更多>>

关键词： 材料力学   能量法   对称结构   对称性   判断方法  

摘要： 在材料力学课程中,常用对称性质求解对称的静不定(超静定)杆系问题。该文指出了现有的载荷对称性判断方法和对称性质描述中存在的一些问题,提出了新的对称载荷判断方法,特别是力偶载荷对称性判断的符号运算方法;在对称性质的描述中,建议引入对称位移与反对称位移的概念,并提出将对称内力(位移)与反对称内力(位移)的性质分开描述。

关键词： 金属材料   力学性能测试   不确定度  

摘要： 金属材料是现代社会发展和生产的主要物质要求,它是构成科学技术进步,特别是石油工业进步的基础。金属材料具有很强的力学性,随着各种金属技术的发展,新金属材料的生产和应用越来越广泛。由于石油生产的增加和产品性能的提高,金属的力学性能要求更高。检测材料的力学性能是重要组成部分,这给传统测试力学性能带来了巨大挑战,并通过更精确的检测技术帮助其提升。金属材料的强度性能试验对于确定金属材料的范围、应用和效率至关重要。文章从材料力学性能实验出发,详细分析了材料不确定度力学性能测试。

关键词： 三维编织复合材料   随机效应   弹性常数   强度   有限元法  

摘要： 三维编织复合材料突破了传统复合材料层合板结构的概念,在提高层间及层内强度、抗冲击和损伤容限等方面具有巨大的优势和潜力。然而,三维编织复合材料实际制造过程中纤维束交织构造复杂,且常常由于环境中的杂质、工艺实施不完善等因素,造成最终制品中存在一定缺陷,给其力学行为分析带来了很大难度。因此,正确评价考虑细观随机效应的编织复合材料结构强度、损伤演化规律及材料的可靠性,对提升编织复合材料在航空航天领域服役的实用性和可靠性具有重要意义。本文首先基于随机理论建立了考虑纱线随机挤压效应的纤维束和三维编织复合材料弹性常数理论计算模型。该模型的一个基本优点是,预测弹性特性时不需要精确地描述增强体的细观特征。作为输入数据的唯一基本特征是纤维束随机特征参数的均值和标准差。其次,基于该理论模型结合有限元方法研究了纱线三种随机效应(纤维随机路径波动、纤维束截面随机放缩和纤维束截面随机扭转)对三维编织复合材料等效弹性常数的影响以及在基于随机效应下,研究了编织角变化对材料随机弹性响应的敏感性。再次,基于纱线细观随机效应影响下,研究了三维编织复合材料组分材料弹性常数对材料随机等效弹性常数的敏感性。结果表明,三维编织复合材料细观随机特征参数对材料随机等效弹性常数的影响程度与编织角和组分材料弹性性能密切相关。最后,基于纱线细观随机效应影响下,研究了结构随机效应对三维编织复合材料结构强度和应力分布的影响,结果表明,三维编织复合材料细观随机特征参数对结构强度具有一定影响,细观随机性对强度的影响程度同样与编织角密切相关。

关键词： 纳米复合水泥注浆材料   力学性能   冻融循环   损伤劣化   数值模拟  

摘要： 地下工程中因各种原因会出现裂缝病害,且一直是困扰工程科研人员的一个难题。而当前地下工程中常用的是高分子有机材料及普通水泥注浆材料,其力学性能、与混凝土的相适性差及普通水泥注浆材料颗粒大难以注入等一系列问题,不能保证裂缝修复的可靠性。如何提高地下工程裂缝注浆修复质量,保证结构的稳定性,已成为地下工程裂缝修复的重要研究方向。因此本文以超细水泥基颗粒为基体材料,以超细粉煤灰、纳米材料及纳米微膨胀剂为增强材料,提出了一种新的纳米复合水泥注浆材料(Nano Composite Cement Grouting Material,下文简称为NCG注浆材料)。本文通过文献查阅、室内实验、数值模拟方法,开展了纳米复合水泥注浆材料的力学性能与抗冻性能试验研究。本文主要研究内容与成果如下:(1)通过室内试验,分析了不同配比下NCG注浆材料物理力学性能(标准稠度用水量、凝结时间、流动性、材料强度)和微观特性(微孔隙分布、物质成分、微观形态)。通过极差分析法,响应面分析法及权重分析法并结合微观实验分析了个影响因素对NCG注浆材料的影响机理,确定了NCG注浆材料最佳配合比:即为水灰比0.5、超细粉煤灰掺量30%、纳米微膨胀剂含量3%、纳米材料掺量3%。(2)对不同冻融循环次数作用下的NCG注浆材料试件进行了力学性能测试。研究了不同冻融循环次数下NCG注浆材料试件的力学性能(弹性模量、抗压强度、抗折强度以及应力-应变等)及损伤变化规律:NCG注浆材料的应力-应变曲线随着冻融循环作用加深变得扁平,抗压强度不断下降,弹性模量显著减小;NCG注浆材料的抗折强度随着冻融循环次数的增加呈抛物线型降低且变化规律能够一定程度上反映NCG注浆材料冻融损伤累积变化规律。分析了冻融循环次数下的NCG注浆材料的微观破坏形态:随着冻融循环作用的加深,NCG注浆材料式样内部出现断裂层并伴随着结构层塌陷,材料钝化和破损。其次通过有限元软件对不同冻融次数下NCG注浆材料试件进行数值模拟,分析了材料的温度场分布云图,验证了数值模拟的可行性。(3)通过室内试验,开展了NCG注浆材料和普通水泥浆的混凝土板裂缝修复试验,完成抗弯承载力实验:两种不同加载方向的荷载-挠度曲线中,NCG注浆材料的曲线要明显高于普通水泥注浆材料,其断裂修复性能更优;同时通过数值模拟技术对冻融循环作用下混凝土板-NCG注浆材料的复合材料与混凝土板-普通水泥浆的复合材料的温度变化情况及力学性能进行对比:普通水泥浆-混凝土复合材料在温度场中的时间应力曲线变化状态不稳定且明显低于NCG-混凝土复合材料,不利于混凝土板的断裂修复。

关键词： 高温结构陶瓷材料   高温断裂韧性   高温硬度   理论表征模型   氧化  

摘要： 高温结构陶瓷材料因具有较高的物理稳定性、耐磨性和耐腐蚀性等优良性能,被广泛应用于航空航天、军事装备、核工业及新能源等领域,且在使役过程中往往会遭受高温及氧化环境。这就对高温结构陶瓷材料的高温力学性能提出了严峻的挑战。合理表征及提高高温结构陶瓷材料的高温力学性能是材料科学和工程领域研究的重点。本论文主要针对高温结构陶瓷材料的重要的力学性能——断裂韧性及硬度开展了温度相关性理论及高温实验研究工作,建立了材料温度相关性断裂韧性及硬度理论表征模型。主要研究内容如下:(1)基于高温断裂力学理论、应力强度因子方法及Griffith能量平衡理论等,通过表征材料内部裂纹及表面裂纹等不同缺陷及其演化对不同温度下颗粒增强陶瓷基复合材料断裂强度与断裂韧性的影响,分别建立了含有内部临界缺陷与表面临界缺陷的颗粒增强陶瓷基复合材料温度相关性断裂韧性理论表征模型。所建模型考虑了温度、临界缺陷尺寸、晶粒尺寸及残余热应力等因素对材料断裂韧性的共同影响,且不含任何拟合参数。利用所建模型对具有不同临界缺陷的颗粒增强陶瓷基复合材料在高温及氧化环境下的断裂韧性进行了预测,并与实验结果进行了对比。结果显示模型预测的材料高温断裂韧性与实验结果吻合较好,大部分温度点的吻合率均可达89%以上,有的甚至能达到99.7%。基于模型预测值与实验值的对比结果,明确了材料内部颗粒簇、氧化层等微结构及其演化对材料在高温及氧化环境下断裂韧性的影响。此外,利用所建模型还系统研究了缺陷尺寸、增强颗粒体积分数及材料杨氏模量等对材料断裂韧性的影响及其随温度的演化规律。结果表明通过控制材料的临界缺陷尺寸、增加材料的杨氏模量和调整颗粒增强相的体积分数等可以达到提高材料高温断裂韧性的目的。本工作提出了一种合理预测材料断裂韧性、温度、材料微结构及其演化之间的定量关系的极为简易的理论表征方法,可为航天航空等领域的材料与结构的优化设计提供理论指导与潜在技术储备。(2)针对含有不同缺陷(内部缺陷和表面缺陷)的层状陶瓷基复合材料,在颗粒增强陶瓷基复合材料高温断裂韧性理论研究的基础上,进一步考虑层状结构及层间残余热应力的影响,建立了不含拟合参数的层状材料温度相关性断裂韧性理论表征模型。所建模型考虑了温度、层间残余热应力、临界缺陷尺寸、晶粒尺寸、层厚和层数等因素对层状材料断裂韧性的综合影响。利用所建模型预测了层状材料的高温断裂韧性,并与实验结果进行了对比。模型预测值与实验结果吻合较好,多数温度点的吻合率可达87.9%以上。此外,利用模型进一步分析了层状材料临界缺陷尺寸及层状结构参数等对材料断裂韧性的影响及其随温度的演化规律。研究结果表明,通过合理调控材料组分和结构来控制层状材料的临界缺陷尺寸、杨氏模量和层间残余热应力等,可以显著提高层状陶瓷基复合材料在不同温度下的断裂韧性。本工作为层状陶瓷基复合材料的结构设计和高温性能优化提供了理论基础和建议。(3)开展了温度及氧化作用等对高温结构陶瓷材料硬度的影响的理论与实验研究工作。以SiN陶瓷材料为例,开展了材料的高温氧化处理实验,并分别测试了未氧化和氧化的SiN材料在不同温度下的硬度。通过SEM图像等对材料孔洞簇、氧化层厚度、氧化层微结构及压痕形貌等进行了观察与定量分析。结果显示未氧化的材料在25℃、600℃和1000℃下的硬度分别为15.85 GPa,11.5 GPa和10.7 GPa,而氧化后的材料在25℃、600℃和1000℃下的硬度分别为16.85 GPa、14.2 GPa和12.58 GPa。未氧化和氧化后的SiN陶瓷材料硬度皆随温度升高而降低;在目标实验温度下氧化后材料的硬度均高于未氧化材料的硬度。基于力热能量密度等效原理及相关力学理论等,建立了高温结构陶瓷材料温度相关性硬度理论模型。通过进一步考虑高温氧化作用对材料热物理性能参数及对应材料屈服时的临界缺陷尺寸的影响,建立了可考虑高温氧化作用影响的高温结构陶瓷材料温度相关性硬度理论表征模型。利用建立的模型分别预测了未氧化和氧化后的材料在不同温度下的硬度,并与实验结果进行了对比。结果表明模型预测的材料在不同温度下的硬度与实验结果吻合较好,部分吻合率高达95.1%。基于理论预测值与实验测试值的对比结果,结合未氧化和氧化后的SiN陶瓷材料的微结构表征,明确了控制未氧化的SiN陶瓷材料在所研究温度范围内的硬度的主要机制为微结构中的最大的孔洞簇,而控制氧化后的SiN陶瓷材料在所研究温度范围内的硬度的主要因素为氧化层厚度。

关键词： 复合材料   石墨烯   双马来酰亚胺   拉伸模量   热导率   力学性能  

摘要： 双马来酰亚胺（BMI）树脂具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀等良好特性，现已广泛应用于航空航天、机械电子等领域。然而纯BMI树脂韧性差、热导率低，这些缺点限制了BMI树脂材料在韧性、散热条件要求较高工况下的应用。随着近些年复合材料的飞速发展，研究人员发现在树脂基体材料中掺杂高性能纳米颗粒可大幅提高材料性能。在陶瓷、金属、纳米碳等众多高性能纳米填料中，石墨烯由于其独特的二维结构、优异的物理性能，引起了研究人员的广泛关注。理论上，由于石墨烯材料优异的力学及热学性能，掺杂石墨烯的BMI树脂复合材料整体力学、热学性能可获得大幅提升。然而实验结果表明，石墨烯材料自身结构的缺陷及石墨烯在基体材料中的团聚现象会导致复合材料的性能不如预期，理解相关问题机理并发挥石墨烯的性能优势为推动先进复合材料的发展具有重要的指导意义。本文基于分子动力学方法对石墨烯增强BMI树脂复合材料力学及热学性能进行深入研究，并分析了石墨烯结构缺陷对BMI树脂复合材料力学及热学性能的影响。具体工作与研究结果如下：　　首先，通过MaterialsStudio（MS）软件建立了不同缺陷浓度的石墨烯模型，使用LAMMPS软件计算了石墨烯的力学及热学性质，并分析了不同缺陷浓度对石墨烯力学及热学性质的影响规律。结果表明，通过分子动力学模拟计算得到的石墨烯的拉伸模量、断裂强度、断裂应变、热导率均与相关实验或文献中结果一致，证明了分子动力学模拟方法的准确性。同时研究发现，当石墨烯结构中引入缺陷时，即使是在缺陷浓度较低的情况下，石墨烯力学及热学性能均会显著降低，并且随着缺陷浓度的增加，拉伸模量、断裂强度、断裂应变、热导率均会进一步降低。　　其次，通过MS软件建立了BMI树脂材料模型，对其力学及热学性能进行了研究，并在此基础上建立了掺杂石墨烯的BMI树脂模型，分析了石墨烯对BMI树脂力学及热学性能的影响。研究结果表明，分子动力学模拟得到的BMI树脂材料的拉伸模量、热导率与相关实验或模拟中得到的结果基本一致，证明了本文中计算模型及计算方法的正确性。掺杂石墨烯的BMI树脂复合材料拉伸模量与热导率相较原材料均有提升，拉伸模量提升约40%，热导率提升约35%。　　最后，通过调节BMI树脂复合材料模型中石墨烯的缺陷浓度来分析石墨烯缺陷浓度对BMI树脂复合材料整体力学及热学性能的影响。结果表明，当石墨烯缺陷浓度较低时，石墨烯结构缺陷对于BMI树脂复合材料的拉伸模量及热导率影响较小。当缺陷浓度达到6%时，BMI树脂复合材料拉伸模量下降约8%，热导率下降约7.5%。　　综上所述，本文基于分子动力学模拟方法，从石墨烯及BMI树脂材料力学、热学性能出发，探究了掺杂石墨烯的BMI树脂复合材料中石墨烯对于BMI树脂复合材料整体的增强作用，并揭示了石墨烯结构缺陷浓度对BMI树脂复合材料整体力学及热学性能的影响规律，为BMI树脂复合材料性能的调控及新型石墨烯增强BMI树脂复合材料的设计与制备提供了重要的参考。

关键词： 织物增强砂浆复合材料   力学性能   加固效果   防腐蚀性能  

摘要： 织物增强砂浆（TRM）复合材料因其优异的力学性能、防火性能和透气性,在建筑物加固领域越来越受欢迎。首先,使用TRM复合材料加固建筑物可以显著提高建筑物的承载能力,进而降低因建筑物倒塌造成的人类生命财产安全的损失。此外,用TRM复合材料加固建筑物满足了现代社会可持续发展的战略需求,具有绿色、低碳、环保、节能的优势。但是,近年来国内外针对TRM复合材料力学性能和加固效果的研究不完整。为了使TRM复合材料能够更好的服务于工程和应用,本文系统的研究了钢纤维纺织品增强砂浆复合材料（STRM）、碳纤维纺织品增强砂浆复合材料（CTRM）和玻璃纤维纺织品增强砂浆复合材料（GTRM）的力学性能和加固效果,并且针对钢纤维纺织品耐腐蚀性能差的缺点进行了性能改进。 本文采用钢纤维纺织品、碳纤维纺织品和玻璃纤维纺织品作为增强材料,砂浆作为基体,制备了STRM、CTRM和GTRM复合材料。通过拉伸测试研究三种TRM复合材料的拉伸性能,着重分析了织物类型对拉伸性能变化规律和失效模式的影响,STRM复合材料拉伸强度为3.7 MPa,且失效时没有发生织物滑移,综合考虑其拉伸性能最为优异。采用双搭接界面剪切试验测试TRM复合材料的界面粘结强度,研究织物类型和砂浆水化程度对TRM复合材料界面粘结性能的影响规律,砂浆水化完全时STRM复合材料界面粘结强度最大,剪切测试失效载荷为27.098 KN。同时使用ABAQUS模拟分析其失效机理,当碳纤维纺织品和玻璃纤维纺织品受力时,界面剪应力的非线性阶段较长,使得应力在砂浆基体中传递范围更大,容易导致砂浆基体破坏。对三种类型TRM复合材料加固混凝土梁试样进行三点弯曲测试,研究织物类型和加固位置对失效载荷和失效模式的影响规律。STRM复合材料底端加固模拟混凝土梁的加固效果最佳,抗弯载荷达到6510.59 KN,与纯模拟混凝土梁相比提高了105.91%。 此外,针对钢纤维纺织品耐腐蚀性能较差的问题,本研究设计并制备了具有核壳结构球状聚苯胺@二氧化硅/环氧树脂（PANI@Si O/EP）防腐涂层。通过拉伸测试和三电极测试对PANI@Si O/EP复合涂层的力学性能和防腐蚀性能进行研究。结果表明,含2 wt.%PANI@Si O/EP涂层的力学性能最优异,拉伸强度为27.96 MPa。其阻抗谱为6×10～5Ω/cm,比2 wt.%Si O/EP防腐涂层提高了140%,比EP防腐涂层提高了200%,比裸钢纤维提高了2个数量级。

关键词： 聚丙烯   弹性体   接枝改性   直流电性能   机械性能  

摘要： 聚丙烯(PP)具有优良的电性能和耐热性能,相较于传统电缆绝缘材料交联聚乙烯(XLPE),PP在电缆制造和使用过程中无需交联,生产能耗降低,加工周期大幅缩短,退役电缆还可回收利用,契合国家“双碳”发展目标,具有很大的工业应用价值。但聚丙烯的弯曲模量过大,柔韧性较差,不能直接应用于电缆制造。为改善上述问题,一般是在PP中加入高柔性的弹性体材料,从而达到对PP材料增柔增韧的目的。但由于常规弹性体的熔融温度和结晶度偏低,绝缘性能较差,尽管提高了材料的柔韧性,却使材料在高温下的电学性能显著下降。为改善PP/弹性体复合材料的直流电性能,尤其是70℃以上时材料的空间电荷与电导特性,本论文选用一种高熔融温度高结晶度的弹性体作为增柔改性填料,并将携带极性基团的马来酸酐(MAH)分子接枝于聚丙烯和高熔融温度弹性体中,利用极性基团产生的深陷阱效应,抑制载流子迁移,从而改善材料的直流电性能。本文先以过氧化二异丙苯为引发剂,苯乙烯衍生物为降解抑制剂,利用熔融接枝技术将MAH极性基团接枝到PP和弹性体大分子链上。红外光谱吸收实验表明,该方法可实现较高的接枝率,并减少了材料因接枝产生的降解。测试了不同MAH接枝量下PP-g-MAH的直流击穿强度、空间电荷和电导电流特性。实验发现接枝MAH后,PP的直流电性能明显提升,其中当MAH用量为1%时,PP-g-MAH在不同温度区间下的直流电性能最优。将PP-g-MAH分别与未经接枝改性和经过接枝改性的低熔融温度弹性体和高熔融温度弹性体共混制样,制备了多种改性聚丙烯基复合材料。扫描电镜(SEM)实验证明表明,PP经过接枝处理后,复合材料中弹性体相的分散性有所提高。其中,未经接枝改性处理的高结晶度弹性体与PP相间呈现明显的分相特征,界面区存在不相容区。当PP与弹性体均经过接枝改性后,两相界面相互融合,呈现出较好的相容性。差示扫描量热法(DSC)的测试结果表明PP在与弹性体共混后,结晶度下降,两相均经接枝改性处理后,复合材料的结晶度可进一步下降。热延伸实验表明,复合材料在165℃下形变率在15%以下,有着较好的耐热性能。动态热机械分析(DMA)实验结果表明,两类弹性体对PP的增柔效果显著,复合材料的弹性模量较PP都有明显下降。双相接枝后,复合材料的弹性模量进一步下降。应力应变实验表明,双相接枝较单相接枝可以更好地提高复合材料的断裂伸长率和拉伸强度。直流击穿实验、电导特性和空间电荷特性实验表明,各温度下复合材料的直流电性能在接枝后都有提升,但采用低结晶度弹性体进行复合改性时,由于其熔融温度过低,在高温区时,即使接枝改性也无法获得理想的直流电性能改善效果;而采用高结晶度弹性体,并将其接枝改性再与PP-g-MAH复合后,可在高温区获得优异的直流电性能改善效果,显著抑制空间电荷积聚,减小复合材料在高温强场中的电场畸变幅度。本文的研究结果表明,采用高结晶度高熔融温度的弹性体与PP共混,利于提升复合材料的在高温时的直流电性能,但会因两相不相容导致机械物理性能大幅下降。接枝改性技术可改善PP与高熔融温度弹性体间的相容性,并大幅提升复合材料的直流电性能,实现材料力学与直流电性能的协同优化。